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1. Redox-Reaktionen, eine Einführung

Zu diesem Thema steht interssierten Kollegen auch ein Foliensatz zur Verfügung (16 Folien).

Das Rosten eines Eisennagels

Mit diesem Thema beginnen einige Oberstufenlehrbücher der Chemie das Thema "Elektrochemie" oder, wie die Richtlinien des Landes NRW es nennen, "Gewinnung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie in der Chemie".

Das Rosten eines Eisennagels ist ein alltäglicher und auf den ersten Blick auch kein besonders komplizierter Prozess:

Das Eisen verbindet sich mit dem Luftsauerstoff zu Eisenoxid.

Ist dieser Vorgang wirklich so einfach? Wieso rostet dann ein feuchter Nagel schneller als ein trockener? Welche Rolle spielen Säuren bei dem Rostvorgang? All diese Fragen können mit der einfachen Reaktionsgleichung, die vielleicht einen Schüler aus der 7. Klasse zufriedenstellt, nicht beantwortet werden.

Das Rosten von Eisen - eine nähere Analyse

In der Elektrochemie interessiert man sich für die elementaren Vorgänge, die bei einer Redoxreaktion ablaufen. Was eine Redoxreaktion ist, haben Sie sicherlich bereits in der 9. oder 10. Klasse gelernt: Die Übertragung von Elektronen von einem Elektronendonator auf einen Elektronenakzeptor.

Beim Rosten von Eisen ist Eisen der Elektronendonator; jedes Eisen-Atom gibt zwei Elektronen ab und wird so zu einem zweifach positiv geladenem Eisen-Kation:

Dieser Vorgang - wegen der Abgabe von Elektronen auch Oxidation genannt - kann allerdings nur dann ablaufen, wenn irgendein Stoff anwesend ist, der die abgegebenen Elektronen aufnehmen kann. Es fehlt noch der Elektronenakzeptor. In diesem Falle Sauerstoff:

In Anwesenheit von Wasser läuft die obige Reduktion allerdings etwas anders ab; es entstehen Hydroxid-Ionen nach folgender Reaktionsgleichung:

Sauerstoff-Anionen sind im Wasser nicht sehr beständig. Aus dem Chemie-Unterricht der 7. Klasse ist vielleicht noch bekannt, dass Metalloxide, wenn man sie in Wasser auflöst, Laugen ergeben. Metalloxide enthalten zweifach negativ geladene Sauerstoff-Anionen. Wenn diese mit Wasser-Molekülen reagieren, entstehen Hydroxid-Ionen.

Insgesamt kann man das Rosten des Eisens in Anwesenheit von Wasser also fogendermaßen darstellen:

Ich hoffe, die Regeln zum Aufstellen von Redoxgleichungen sind Ihnen noch aus dem Chemie-Unterricht der 10. Klasse bekannt: Zuerst schreiben Sie die Oxidationsgleichung hin (hier die obere mit dem Eisen), darunter die Reduktionsgleichung (hier die mit dem Sauerstoff). Anschließend schauen Sie, wieviele Elektronen bei der Oxidation frei werden und wieviele bei der Reduktion benötigt werden. In unserem Fall werden bei der Oxidation zwei Elektronen frei, bei der Reduktion aber vier benötigt. Man muss jetzt die beiden Gleichungen derart mit ganzen Zahlen multiplizieren, dass die Anzahl der Elektronen bei der Oxidation und der Reduktion übereinstimmen. Die Oxidation müssen wir in unserem Beispiel also mit der Zahl 2 multiplizieren. Daher ergeben sich für die Gesamtreaktion (grau unterlegt) zwei (!) Eisenatome auf der linken Seite und zwei Eisenhydroxid-Teilchen auf der rechten.

Für Leute, die es eher graphisch / bunt mögen, habe ich noch eine Zeichnung der ganzen Umsetzung angefertigt, die ich hier natürlich gerne zum Besten gebe:

Kleiner Tipp für das Chemie-Abitur:

Gewöhnen Sie sich daran, Redoxvorgänge in Form von Redoxgleichungen darzustellen!

Wenn Sie jetzt denken, wir wären mit dem Thema "Rosten von Eisen" fertig, so haben Sie sich leider geirrt. Es geht jetzt erst richtig los. Rost enthält nämlich nicht Fe²⁺-Ionen, sondern Fe³⁺-Ionen. Das Eisen(II)-hydroxid, das zunächst gebildet wurde, wird in einer weiteren Redoxreaktion zu Eisen(III)-hydroxid oxidiert; als Elektronenakzeptor fungiert dabei Wasser:

Die obere Gleichung muss jetzt mit dem Faktor 4 multipliziert werden, daher erhält man als Gesamtreaktion:

So jetzt sind wir aber fertig mit dem Rostvorgang!

Nein, ich muss Sie leider noch einmal enttäuschen. Es gibt noch einen letzten Schritt. Rost besteht nämlich nicht aus Eisen(III)-hydroxid, sondern aus einem ganz eigenartigen Mischprodukt mit der Formel FeO(OH), das man "Eisenoxid/hydroxid" nennen könnte. Die eigentliche Rostbildung sieht so aus:

Dies ist (zum Glück) keine Redoxreaktion mehr, sondern könnte als "Abspaltung von Wasser" bezeichnet werden.

Das Rosten von Eisen als Alltagsphänomen

Sie sollten mich doch langsam kennen! Alltagsphänomene interessieren mich nicht, denn ich gehöre zu den Chemielehrern, die glauben, dass man Schüler und Schülerinnen nicht mit Alltagsphänomenen hinter dem Ofen hervorlocken kann. Also versuche ich es auch erst gar nicht. Wer sich also für Themen wie "Die volkswirtschaftliche Bedeutung des Rostens in Deutschland" oder "Wie kann ich mein mühsam zusammengespartes Moped gegen das Rosten schützen?" sucht sich ein spannendes Buch wie "Chemie im Alltag" oder sucht halt im Internet.

Wir dagegen machen weiter mit einem echt interessanten und vor allem überhaupt nicht alltäglichen Thema: Was passiert eigentlich, wenn man einen Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung stellt?

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